航天器推进系统管路充填过程动态特性(Ⅰ)理论模型与仿真结果

研究了航天器推进系统管路充填过程动态模型与计算方法。以一维管道瞬变流理论为基础,采用瞬变管流湍流频率相关摩擦损失模型计算管壁摩擦流阻,构造了管路分支流阻计算模型,孝虑了液流撞壁后的蒸汽泡团释出与崩溃现象。数值计算采用特征线方法,仿真结果表明计算模型较好地描述了充填过程中的水击和管流振荡现象。     

管路中常温推进剂的两相充填特性仿真

常温推进剂在管路中的两相充填特性由于气液相间的相互作用而难以预测。为拓展液体火箭发动机瞬态特性模块化通用仿真模型库对两相充填的仿真能力，基于Modelica模块化建模思想开发了一维有限体积的两相充填管路模型，其中采用等效流容方程计算压力，使用Volume of Fluid （VOF）法捕捉气液界面。对流项离散格式的比较表明，TVD_QUICK格式可同时满足系统仿真对准确性和实时性的要求。对节流孔径的研究表明，在不同的节流孔径比范围内，液体对预存气体管路的充填过程可分为水击效应忽略、水击效应微弱以及水击效应主导3种模式，且最大水击压力峰值一般发生在水击效应主导模式下。此外，夹带有单个气柱的常温推进剂在充填过程中表现出的压力振荡主要由2个因素造成：气柱受到上下游液柱的压缩而产生的压力波动和下游液柱在节流元件位置产生的水击压力振荡；在2种压力波动的耦合作用下管内瞬时压力峰值达到上游供应压力的5倍左右。     

航天器推进系统管路充填过程动态特性(1)理论模型与仿真结果

研究了航天器推进系统管路充填过程动态模型与计算方法。以一维管道瞬变流理论为基础 ,采用瞬变管流湍流频率相关摩擦损失模型计算管壁摩擦流阻 ,构造了管路分支流阻计算模型 ,考虑了液流撞壁后的蒸汽泡团释出与崩溃现象。数值计算采用特征线方法 ,仿真结果表明计算模型较好地描述了充填过程中的水击和管流振荡现象     

卫星推进系统真空充填过程数值仿真

以一维管道瞬变流理论为基础, 利用特征线有限差分法, 建立空间推进系统部件流体动力学模型和液头充填的计算模型, 瞬变管流运动方程摩擦阻力采用平均摩擦损失模型和动态摩擦损失模型, 考虑溶入气体后管流声速的变化, 对某卫星推进系统管路充填过程进行计算.与实验结果对比表明:计算模型较好地描述了发动机充填过程中的管路水击和管流振荡现象, 可为其它推进系统管路充填流动瞬变特性分析提供指导.      

预存气体闭端管路的充填水击研究

为提升补燃循环发动机仿真平台的分布参数计算能力,针对常温液体充填预存气体闭端管路的水击现象,本文使用Modelica语言基于MWorks平台建立了一维有限体积的管路充填模型,并分别使用该模型和集中参数模型对现有文献中的充填水击实验进行了仿真模拟,结果表明：对于预存气体0.1MPa的工况下,一维有限体积模型与集中参数模型对实验的模拟度均较为接近;而在管路接近真空的工况下,一维有限体积模型的计算结果与实验数据吻合度很高,集中参数模型误差则高达76%左右。在不同预存气体压力下的计算结果表明：在管路刚度一定的条件下,预存气体压力0.1MPa以下时,气体的压缩缓冲作用是充填过程中水击压力峰值得到减弱的主要原因;在预存气体压力0.1MPa以上时,气体的缓冲作用与充填流量的减小共同导致了充填水击压力峰值的减弱。对不同弹性管路的计算表明：在闭端管路的充填过程中,管壁弹性对近真空管路的影响相对较大,对预存气体压力较大的管路几乎没有影响。     

流量调节器管路系统自激振荡特性研究

流量调节器管路系统在小流量大压降工况下会出现低频自激振荡现象。为了深入认识自激振荡产生机理,结合某稳流型流量调节器及管路系统,基于流量调节器弹簧振子动力学模型开展数值仿真研究。数值仿真得出自激振荡频率为94Hz,与发动机试验结果一致。分析了流量调节器结构参数对系统稳定性的影响作用,三角形滑阀节流口能够抑制管路系统自激振荡。自激振荡产生机理是液动力随滑阀节流口型面振荡,并对管路系统形成正反馈作用,当流量调节器综合刚度系数<0时,管路系统就失稳产生振荡。某流量调节器的负载特性试验表明,随着流量调节器压降升高,管路系统稳定性变差。仿真获得的幅频特性,稳定边界与试验结果一致。     

卫星推进系统发动机启动过程数值仿真

以一维管道瞬变流理论和特征线方法为基础,建立了仿真系统部件流体动力学模型。计算方法采用带内插的特征线方法和四阶龙格库塔法。对燃烧室模型,考虑燃烧时滞的影响,计算了卫星推进系统发动机在启动过程中各参数的变化。仿真结果与卫星推进系统热试车试验结果基本吻合。结果表明计算模型较好地描述了发动机启动过程中的水击和管流振荡现象,采用的仿真方法符合精度要求,在工程上可为卫星推进系统的设计与试验提供指导。      

航天器推进系统管路充填过程动态特性(Ⅱ)实验模拟与结果评估

针对某一具有工程背景的卫星推进系统,建立了一个包括抽真空设备的实验模拟系统,以水为介质进行真空充填过程实验研究,结果表明充填过程中存在较强水击;利用数学模型对实验室系统充填过程进行仿真,计算结果与实验测量值吻合,表明模型仿真是可靠的。     

液体火箭发动机供应系统频率特性

为了研究减少液体火箭发动机供应系统振荡的有效工程措施，对模型系统与真实系统建立适用于中高频分析的线性化复频域传递函数矩阵模型，结合节流圈阻抗与管路特征阻抗对比方法，分析系统流路在出口压力激励下的频率特性。结果表明：激励源端可能产生谐振频率偏移效应，应选取非激励源端的幅频响应来判断系统谐振频率；节流圈具有较强的频率选择性和对表现出反谐振特征的系统具有位置选择性，需重视关注的频率与位置；节流圈位置越靠近流量振型波腹，或流量波腹位置处的节流圈压降越大，对流路中振荡衰减作用越大。针对该液体火箭发动机供应系统，缩短液氧路管长0.1 m，增大煤油路管长0.05 m，并调整节流圈压降分配，可有效减小供应系统振荡。     

空间发动机系统关机过程水击现象理论分析

对空间发动机系统关机过程进行了数值仿真分析,讨论了关机过程中系统管路内的水击现象,以及多推力室发动机系统工作状态、阀门响应特性等因素对水击现象的影响。     

流量调节器管路系统自激振荡特性研究（液体火箭推进专刊）

流量调节器管路系统在小流量大压降工况下会出现低频自激振荡现象,为了深入认识自激振荡产生机理,结合某型自稳流型流量调节器及管路系统,基于流量调节器弹簧振子动力学模型开展数值仿真研究。数值仿真得出自激振荡频率为94 Hz,与发动机试验结果一致。自激振荡产生机理是流量调节器的液动力受滑阀窗口型面变化率影响对系统形成正反馈作用,流量调节器综合刚度小于零时系统失稳。分析了流量调节器结构参数对系统稳定性的影响作用,三角形滑阀节流口流通面积能够抑制管路系统自激振荡。结合某型流量调节器负载特性试验系统进行验证,得出随着流量调节器压降升高,管路系统稳定性变差,获得的幅频特性,稳定边界与试验结果一致。     

航天器推进系统发动机动态特性研究

以一维流体瞬变理论为基础,采用特征线有限差分格式,编制航天器推进系统液体推进剂火箭发动机动态过程的通用仿真软件,并对某多台发动机系统的动态特性进行研究。结果表明,该模型较好地描述了系统瞬变特性和水击现象,所开发的软件可方便进行其它推进系统的分析,为发动机系统设计和优化提供指导。      

基于AMESim的液氮供给系统液击仿真

基于系统级仿真平台AMESim,建立了大型低温风洞(CWT)液氮供给系统(LNSS)的动态仿真模型.实验对比结果显示,仿真结果的平均误差在6.8％以内,验证了模型的准确性,并进一步对比开展了喷嘴瞬时全关和喷嘴有序关闭两种典型工况下的液击分析.结果表明液击模型能够较好地反映管路系统中的液击过程.喷嘴瞬时全关工况下,液击峰...     

液路耦联多发动机系统开关机动态特性研究

通过对液路耦联的多发动机系统动态特性仿真研究表明：多发动机开关机时水击对相互间性能影响比较大,若设计不合理,有可能导致异常关机。给出的动力学模型可以用于空间飞行器耦联多发动机系统的结构及工作模式设计和解释一些发动机试车现象。     

飞机液压管路冲击响应分析

分析了液压冲击引起管路系统振动的机理和原因,给出了水击压强和水击波速的计算公式。利用有限元软件ABAQUS建立了某型飞机液压管路系统的三维模型,运用显式积分计算液压冲击下管路系统的振动响应,考虑了不同管道材料和边界条件对管路系统振动响应的影响。结果表明,液压冲击能引起悬空管束剧烈的振动响应,在管接头加卡箍和提高管道材料的刚度能较好地改善管路系统的抗振性能。